Ключевые слова: протез аортального клапана сердца; численное моделирование; метод конечных элементов; гидродинамическое исследование.
- Аннотация
- Список литературы
- Как цитировать в References
Применение численных методов анализа при создании новых биопротезов клапанов сердца является неотъемлемым этапом их проектирования. Это позволяет оптимизировать конструкцию биопротезов и ускорить процесс их разработки.
Цель исследования — провести гидродинамические испытания прототипа транскатетерного самораскрывающегося биопротеза аортального клапана сердца и на основе полученных данных, с помощью численного моделирования, усовершенствовать геометрию нитинолового каркаса биопротеза.
Материалы и методы. В работе исследован биопротез аортального клапана с самораскрывающимся нитиноловым каркасом, имеющий створчатый аппарат из трех биологических створок, зафиксированных к каркасу через отверстия в комиссуральных стойках. Испытание биопротеза проводили в стенде для проверки гидродинамических характеристик протезов клапана сердца. Компьютерная модель каркаса клапана для конечно-элементного анализа создана в программной среде COMSOL Multiphysics и валидирована на основе наблюдаемых деформаций биопротеза в натурном эксперименте. Полученная модель использована для параметрической оптимизации геометрии комиссуральных стоек с целью снижения их деформации.
Результаты. Стендовые гидродинамические испытания выявили значительные деформации комиссуральных стоек биопротеза (изгиб до 5 мм) при закрытии створок под действием диастолического давления. Численное моделирование методом конечных элементов позволило уточнить величину нагрузки на стойки (1,3 Н вместо значения 1,52 Н, полученного во время предварительного расчета). На основе полученных результатов разработана оптимизированная конструкция каркаса с увеличенной шириной и толщиной балок в зоне комиссуральных стоек (с 0,3 до 0,5 мм и с 0,4 до 0,5 мм соответственно). Анализ с помощью метода конечных элементов показал, что предложенная модификация значительно повысила жесткость конструкции, снизив величину деформации до 0,7 мм при нагрузке 1,3 Н.
Заключение. Предложенный подход к применению численного моделирования показывает свою эффективность для оптимизации конструкции нитинолового каркаса транскатетерного биопротеза аортального клапана. Предложенная модификация геометрии комиссуральных стоек существенно уменьшает их деформацию при гидродинамической нагрузке на клапан, что способствует сохранению запирающей функции створок, снижению риска параклапанной регургитации и дислокации протеза. Полученные результаты демонстрируют перспективность использования методов численного моделирования на этапе проектирования биопротезов, позволяя сократить количество необходимых физических прототипов и ускорить процесс разработки.
1. Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Костюнин А.Е., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Борисова Н.Н., Фокеева М.П., Клышников К.Ю. Автоматическая оптимизация протеза клапана сердца — подход на основе генетического алгоритма. Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины 2025; 40(2): 191–200, https://doi.org/10.29001/2073-8552-2025-40-2-191-200.
2. Zakerzadeh R., Hsu M.C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert Rev Med Devices 2017; 14(11): 849–866, https://doi.org/10.1080/17434440.2017.1389274.
3. Abbas S.S., Nasif M.S., Al-Waked R. State-of-the-art numerical fluid–structure interaction methods for aortic and mitral heart valves simulations: a review. SIMULATION 2022; 98(1): 3–34, https://doi.org/10.1177/00375497211023573.
4. Zakerzadeh R., Hsu M.C., Sacks M.S. Computational methods for the aortic heart valve and its replacements. Expert Rev Med Devices 2017; 14(11): 849–866, https://doi.org/10.1080/17434440.2017.1389274.
5. Astorino M., Gerbeau J.-F., Pantz O., Traoré K.-F. Fluid–structure interaction and multi-body contact: application to aortic valves. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 2009; 198(45–46): 3603–3612, https://doi.org/10.1016/j.cma.2008.09.012.
6. Bellhouse B.J., Talbot L. The fluid mechanics of the aortic valve. Journal of Fluid Mechanics 1969; 35(4): 721–735, https://doi.org/10.1017/s0022112069001406.
7. Mohammadi H., Mequanint K. Prosthetic aortic heart valves: modeling and design. Med Eng Phys 2011; 33(2): 131–147, https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2010.09.017.
8. Клышников К.Ю., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Костюнин А.Е., Резвова М.А., Овчаренко Е.А. О постановке численного моделирования протезов клапанов сердца. Сибирский научный медицинский журнал 2024; 44(5): 119–128, https://doi.org/10.18699/ssmj20240514.
9. Klyshnikov K.Y., Onischenko P.S., Ovcharenko Е.А. Study of biomechanics of the heart valve leaflet apparatus using numerical simulation method. Sovremennye tehnologii v medicine 2022; 14(2): 6–14, https://doi.org/10.17691/stm2022.14.2.01.
10. Журавлева И.Ю., Богачев-Прокофьев А.В., Тимченко Т.П., Шарифулин Р.М., Приходько Ю.М. Биопротез аортального клапана (варианты) для открытой бесшовной и транскатетерной имплантации. Патент RU 2749118C1. 2021.
11. Mummert J., Sirois E., Sun W. Quantification of biomechanical interaction of transcatheter aortic valve stent deployed in porcine and ovine hearts. Ann Biomed Eng 2013; 41(3): 577–586, https://doi.org/10.1007/s10439-012-0694-1.
12. Dwyer H.A., Matthews P.B., Azadani A., Ge L., Guy T.S., Tseng E.E. Migration forces of transcatheter aortic valves in patients with noncalcific aortic insufficiency. J Thorac Cardiovasc Surg 2009; 138(5): 1227–1233, https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2009.02.057.
13. Auricchio F., Taylor R.L., Lubliner J. Shape-memory alloys: macromodelling and numerical simulations of the superelastic behavior. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 1997; 146(3–4): 281–312, https://doi.org/10.1016/s0045-7825(96)01232-7.
14. Auricchio F. A robust integration-algorithm for a finite-strain shape-memory-alloy superelastic model. International Journal of Plasticity 2001; 17(7): 971–990, https://doi.org/10.1016/s0749-6419(00)00050-4.
15. Souza A.C., Mamiya E.N., Zouain N. Three-dimensional model for solids undergoing stress-induced phase transformations. European Journal of Mechanics — A/Solids 1998; 17(5): 789–806, https://doi.org/10.1016/s0997-7538(98)80005-3.
16. Auricchio F., Reali A., Stefanelli U. A three-dimensional model describing stress-induced solid phase transformation with permanent inelasticity. International Journal of Plasticity 2007; 23(2): 207–226, https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2006.02.012.
17. Auricchio F., Coda A., Reali A., Urbano M. SMA numerical modeling versus experimental results: parameter identification and model prediction capabilities. Journal of Materials Engineering and Performance 2009; 18(5–6): 649–654, https://doi.org/10.1007/s11665-009-9409-7.